JP3717360B2 - 人工関節用摺動部材の成形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体関節に置換して用いられる人工関節用摺動部材の成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
膝関節、股関節、肘関節、指関節等が慢性関節リューマチや変形性関節炎或いは外傷等で十分に機能しなくなった場合の治療方法として、人工関節に置換する方法が選択される場合がある。人工関節は、例えば、膝関節を例にとると、大腿骨コンポーネントと、これを摺動可能に支持する脛骨コンポーネントとで構成されており、一般に、前者には金属やセラミックが使用され、後者には超高分子量ポリエチレンが使用されている。
【０００３】
脛骨コンポーネントを構成する摺動部材は、繰り返し摩擦や荷重を受けるため、これが長期に亘って安定的に使用されるためには、接触面における摩擦係数が低いことは勿論のこと、素材の耐磨耗性、機械的強度が高いことが不可欠である。このような素材として種々の材料が使用されて来たが、現在では、ほとんど超高分子量ポリエチレンが使用されている。
【０００４】
一方で、ポリエチレンには酸化という厄介な問題があり、酸化を起こすと、機械的強度は低下し、その寿命は縮まる。ポリエチレン素材中にはその粒子内や粒子間に酸素が含まれており、これが体液等に反応して素材を酸化させ、その結果、剥離や欠けをもたらすと考えられている。又、素材の使用に際しては滅菌処理を必要とするが、この滅菌処理にガンマ線を照射する方法を選択すると、ガンマ線が同じく酸素に反応して酸化を起こすことも知られている。このように、酸素の存在は弊害をもたらすことから、この酸素を予めヘリウムやアルゴンといった不活性ガスで置換する方法も提唱されている（米国特許第５４１４０４９号）。
【０００５】
このため、酸化を防止するため、素材中にテトラキスーメチレン、ジアルキルジチオカルバミン酸亜鉛といった抗酸化剤を添加する方法が取られることがある。更に、これにトコフェロールやαートコフェロールといったビタミンＥ類を併用すると、抗酸化剤とビタミンＥ類が協働作用を果たし、酸化の抑制が一層高まると指摘されている（特開平６−２９９０１１号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、人工関節は人体の関節部分に装填されるものであるから、これを構成する部材は人体に無害でなければならないのは言うまでもない。このため、できるだけ異物、特に、化学物質等は部材中に添加したくない。この点で、ビタミンＥ類の安全性は証明されているが、前記した抗酸化剤の安全性の証明は未だ十分とは言えない。
【０００７】
一方、忘れてはならないのは、これら素材の成形性である。樹脂の成形方法には、塑性加工と切削加工とがあるが、複雑な形状の部材を所望どおりに成形するのは、塑性加工、中でも、加圧成形が好適である。加圧成形には雄型と雌型とによるプレス成形と型内に射出するインジェクション成形等があるが、いずれの場合も、型どおり正確に成形するには、このときの素材に流動性が求められる。流動性が悪いと、素材が型内を万遍なく廻らず、余分な圧力等を要して成形条件を厳しくする上、形状如何によっては成形不能になることもある。超高分子量ポリエチレンは、粘性度、機械的強度に優れるが故に本来的に流動性が悪いことから、これを型どおりに成形するのはなかなか至難な問題である。
【０００８】
本発明者は、このような課題の下、優れた成形方法を日々研究しているうちに、成形を減圧下で行うと、流動性が飛躍的に高まることを見出したのである。加えて、ビタミンＥ類を添加すると、これが成形時に粒子間に介在して粒子同士の流動を容易化する潤滑剤の役目を果たすことをも見出したのである。
【０００９】
成形時の素材中には、粒子や粒子間に取り込まれた空気が小さな気泡となって残ることが避けられない。このため、この素材を用いて成形された摺動部材を使用していると、使用している間に気泡中の空気（酸素）による酸化が起こって劣化を来す。しかし、この成形を減圧下で行えば、この気泡中の酸素が抜けることになり、その結果、気泡を潰し、酸化及びこれに基づく劣化を抑制することができることも判明した。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような新たに究明した事象に基づき、本発明は、超高分子量ポリエチレンを所要の形状に加圧成形して人工関節用摺動部材を得る人工関節用摺動部材の成形方法において、密閉した成形室に所要の成形空間を有する雌型と雄型とからなるプレス成形装置を収容し、超高分子量ポリエチレンに流動性を高めるためにビタミンＥを添加したものを材料に用いて雌型の成形空間内に充填するとともに、成形室の空気を真空ポンプで引く減圧下で上記材料をプレス成形することを特徴とする人工関節用摺動部材の成形方法を提供したものである。
【００１１】
ここで、超高分子量ポリエチレンとは、分子量が１０⁵ 〜１０⁷ ｇ／ｍｏｌの範囲のものをいう。このような超高分子量ポリエチレンを使用するのは、これらが稠密性に富んで耐磨耗性、機械的強度に優れているからである。但し、難成形性の材料であることは前述したとおりである。人工関節用摺動部材に使用する超高分子量ポリエチレンは、医療用に適応されたものである必要があり、これには、Ｔｉｃｏｎａ社製の商品名ＨｏｓｔａｌｅｎＧＵＲ１０２０、１１２０、１０５０、１１５０やＭｏｎｔｅｌ社製の商品名Ｈｉｆａｘ１９００がある。これらは、いずれもパウダーの形態で市販されているが、ペレット、タブレットの形態のものもある。そのいずれを使用してもよいが、成形時の熱による溶解性、気泡の生成性、添加物との均一な混合性の観点から、パウダー状のものがもっとも優れている。
【００１２】
成形は加圧成形による。樹脂を加圧成形するには、加熱下におけるプレスとインジェクションとがあるのは前述したとおりであり、本発明では、そのいずれであってもよい。加えて、本発明では、この加圧成形を減圧下で行う。超高分子量ポリエチレンを減圧下で加圧成形すると、減圧に基づいてポリエチレン粒子の流動性が高まり、成形が容易になる。又、粒子や粒子間に存在する気泡が抜け、残存する酸素量を減らして酸化による弊害を少なくする。
【００１３】
この酸化には、成形中の酸化と製品後の経年的な酸化とがあり、特に、前者の酸化は加熱条件下で促進されて無視できないものであるが、減圧下で成形することによってこれを大幅に抑えることができる。更に、残存酸素量を減少させることは、製品にして使用中の酸化も抑制できるものとなる。この他、気泡の抜けによって稠密性が増し、衝撃強度も向上する。この意味から、減圧の程度は大きいほどよいが、０．１気圧以下であっても相当な効果を奏し、０．０１気圧以下であれば、ほぼ十分である。
【００１４】
又、ビタミンＥ類を添加すると、成形性が更に優れたものとなる。この場合におけるビタミンＥ類とは、αートコフェロール、βートコフェロール、γートコフェロール、δートコフェロールとこれらの異性体、誘導体、混合物を含む。これらビタミンＥ類を添加するのは、抗酸化作用を期してのことは勿論のこと、成形時の素材の流動性を高めるためである。この点で、本発明におけるビタミンＥ類の添加は、従来までは知られなかった目的を持つものであり、重要な意義を有する。
【００１５】
超高分子量ポリエチレンに対するビタミンＥ類の添加の割合は、０．００１〜１０重量％程度であり、成形前に混合して攪拌すればよい。この攪拌は、室温〜８０℃で行うのが適するが、ビタミンＥ類をできるだけ均一に分散するためには高い温度で行う方が望ましい。ビタミンＥ類も、超高分子量ポリエチレンと同様に種々の形態をしたものが販売されているが、前記した理由により、パウダー状のものがもっとも適する。尚、本発明では、添加物としてはビタミンＥ類だけである。人体に対する無害性が証明されていないものは、できるだけ使用しない趣旨による。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、実施例を挙げて具体的に説明する。尚、本発明は、これらの実施の形態に制約されるものではないのは言うまでもない。図１は本発明に係る成形方法を具現するための成形装置の一例の説明図であるが、この装置は、所要の形状の成形空間（雌型）１と成形体（雄型）２とが対向して装設される上下一対の金型３、４とからなり、これら金型３、４を密閉した成形室５内に上下二つの加熱冷却盤６、７で挟んで配置できるように収容する。尚、この成形室５には、真空ポンプ（図示省略）に連結される吸気ダクト８が連通されているし、上加熱冷却盤６の上方には加圧器（図示省略）も装備されている。
【００１７】
まず、成形室５を室温にしておき、上加熱冷却盤６と上金型３を持ち上げて成形空間１を露出させ、この中に所要の超高分子量ポリエチレンを充填する。次いで、上金型３の成形体２が成形空間１に作用するように降ろしてその上に上加熱冷却盤６を載せ、この状態で真空ポンプを作動させて成形室４内の空気を吸引して減圧する。尚、成形室４内を減圧にしてから金型３、４や加熱冷却盤６、７を操作するものであってもよい。そして、加熱冷却盤６、７で金型３、４の温度を適宜調整しながら、加圧器で加熱プレス、冷却プレスして成形する。
【００１８】
〔比較例１〕
超高分子量ポリエチレンとしてＴｉｃｏｎａ社製の商品名ＨｏｓｔａｌｅｎＧＵＲ１０２０（分子量４４０万、マーチンの等式で計算した極限粘度数〔η〕１９２０ｍｌ／ｇ）のパウダー１１．０ｇを４０ｍｍφ×１０ｍｍの円筒形状をした成形空間を有する金型に充填し、室温、大気圧の下で２４５ｋｇｆ／ｃｍ² の加圧力でプレスして成形品を得た。次いで、成形室内を５０ｋｇｆ／ｃｍ² の加圧力で２２０℃まで昇温し、この状態を３０分間保持した後、圧力を１００ｋｇｆ／ｃｍ² とし、室温まで冷却した。
【００１９】
この成形品を液体窒素雰囲気下で割断し、電子顕微鏡（ＳＥＭ）でその割断面を３００倍で観察した。その結果を図（写真、以下同じ）２（ａ）に示すが、その稠密一様性を観察することで、流動性、即ち、成形性の良否を判断できる。又、成形終了後、大気圧下、２５ＫＧｙの⁶⁰Ｃｏ線源によってガンマ線照射処理を行った後、８０℃に保ったオーブン内で約２３日間加熱した。そして、加熱終了後、フーリエ変換赤外分光分析（ＦＴーＩＲ）を行い、カルボニル基、ケトン基のピークによる酸化劣化度合いを調査した。この結果を図３に示す。
【００２０】
ところで、このプレス成形の際、成形品には、当然ながら成形空間と成形体との隙間個所にバリが発生するが、大気圧下での成形では、このバリはあまり発生しなかった。超高分子量ポリエチレンのパウダーが流動性が高くて成形性に優れるものであれば、このバリは多く（長く）発生するから、前記したＳＥＭ写真と同様、このバリの発生状況も成形性の良否の基準とし、表１に示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
〔実施例１〕
比較例１と同じであるが、真空ポンプによって成形室の気圧を０．１気圧に減圧した後にプレス成形をした。これらの結果を図２（ｂ）と図３に示す。尚、バリは長く発生した。
【００２３】
〔比較例２〕
比較例１と同じであるが、超高分子量ポリエチレンのパウダーを１００ｇ計量し、これにビタミンＥ（和光純薬工業株式会社製）を０．０３重量％添加してブレンドミキサーで５分間攪拌したものの中から１１．０ｇ秤量して金型に充填してプレス成形をした。この結果を図２（ｃ）と図３に示す。又、バリは実施例１よりは長かったが、実施例２よりは短かった。
【００２４】
〔実施例２〕
比較例２のビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンのパウダーを用いて実施例１によるプレス成形をした。その結果を図２（ｄ）と図３に示す。又、バリは実施例１と同じ程度であった。
【００２５】
図３によるＦＴーＩＲの結果を見てみると、比較例１による成形では、表面から浅いほど、酸化度が進んでいる。実施例１による成形では、表層部の酸化度の程度が低く、実用上、好ましいものとなっている。比較例２と実施例２による成形では、層位にかかわらず、低い酸化度であった。
【００２６】
バリの発生状況に基づく成形性の良否については前述したとおりであるが、加えて、図２のＳＥＭ写真を見ると、比較例１の成形では、パウダー同士の融着不全によって構造欠陥が生じており、流動性の悪さを証明している。これに対して、実施例１、比較例２及び実施例２の成形では、このようなものは見られない。
【００２７】
【発明の効果】
以上、本発明は、超高分子量ポリエチレンの成形を減圧下で行うものであるから、粒子の流動性が高まって成形が容易になるとともに、素材中に含まれる気泡を消失させ、成形時や製品使用中の酸化を抑制し、高成形性並びに長寿命化に寄与する。又、このとき、ビタミンＥ類を添加すると、これが粒子同士の流動を容易化する潤滑剤の役目を果たして成形性が向上するし、併せて酸化も抑制する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための成形装置の一例を示す説明図である。
【図２】成形品のＳＥＭ写真である。
【図３】成形品の表面からの深さと酸化度の関係を示す特性である。

Claims (2)

1. 超高分子量ポリエチレンを所要の形状に加圧成形して人工関節用摺動部材を得る人工関節用摺動部材の成形方法において、密閉した成形室に所要の成形空間を有する雌型と雄型とからなるプレス成形装置を収容し、超高分子量ポリエチレンに流動性を高めるためにビタミンＥを添加したものを材料に用いて雌型の成形空間内に充填するとともに、成形室の空気を真空ポンプで引く減圧下で上記材料をプレス成形することを特徴とする人工関節用摺動部材の成形方法。
2. 減圧の程度が０．１気圧以下である請求項１の人工関節用摺動部材の成形方法。